Innenpolmaschine
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Formeln
Unterscheidungsmerkmale elektrischer Maschinen
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Elektrischen Maschinen basieren auf der magnetischen Kopplung zweier getrennter mechanischer Hauptelemente (Rotor, Stator bzw. Trafoschenkel). Sie spielen eine entscheidende Rolle in verschiedenen Anwendungen, von Industriemaschinen bis hin zu Haushaltsgeräten.
Elektrische Maschinen lassen sich in folgende Gruppen einteilen:
Art der Bewegung
- rotierende Maschinen, das trifft auf die gängigen Generatoren und Motoren zu.
- Linearmaschinen, das sind asynchrone Motoren, deren Ständer nicht ringförmig, sondern schienenförmig aufgebaut ist. Sie werden speziell in der Fördertechnik eingesetzt.
- feststehende Maschinen, das trifft auf die Transformatoren zu.
Synchronität zur Netzfrequenz
Entkoppelt von der Netzfrequenz
- Gleichstrommaschine
deren Rotor sich im Erreger-Gleichfeld dreht. Durch die Drehung des Rotors entsteht in dessen Ankerspulen eine Wechselspannung, welche über einen Kommutator (Stromwender) gleichgerichtet wird. Gleichstrommaschinen werden aufgrund ihrer hohen Drehzahlregelung und ihres guten Anfahrverhaltens häufig im Motorbetrieb in Elektrofahrzeugen wie Straßenbahnen, U-Bahnen und Elektroautos eingesetzt. - Asynchronmaschine
deren Rotor sich im Erreger Drehfeld dreht, welches vom Stator ausgehend synchron mit dem Netz umläuft. Der Rotor dreht sich mit einer Drehzahl zwischen Null (Stillstand) und netzsynchron (Leerlauf). Belastet man den Rotor mechanisch im Motorbetrieb, so bleibt der Rotor mit zunehmender Last zunehmend hinter dem Drehfeld zurück. Die Differenz-Drehzahl wird als Schlupf bezeichnet. Die Nenndrehzahl des Drehstrommotors liegt bei etwa 1% .. 6% unterhalb der synchronen Drehzahl, also der des speisenden Netzes. Asynchronmaschinen werden überwiegend im Motorbetrieb aufgrund ihrer einfachen Konstruktion, Robustheit und Wartungsfreundlichkeit in der Industrie eingesetzt.
Synchron zur Netzfrequenz
- Synchronmaschine
es gibt keinen Schlupf. Sie läuft netzsynchron und wird daher vorwiegend als Drehstrom-Generator eingesetzt, der absolut exakt netzsynchron laufen muss. - Trafo
auf der Primär- und Sekundärseite herrscht die Netzfrequenz.
Art der Energieumwandlung
mechanisch auf elektrisch: Generatorbetrieb
wenn Wasser nach einem Gefälle oder Dampf nach einem Heizkessel über die Schaufeln eine Turbine strömt, wodurch sich die Turbine dreht. Über eine Kupplung, also mechanisch, überträgt die Turbine diese Drehbewegung auf den Rotor eines Synchrongenerators. Dessen gleichstromerregte Läuferspule induziert dann eine Spannung in den Stator, der seinerseits in ein Netz einspeist und dort zugeschaltete elektrische Lasten (Motoren) mit elektrischer Energie versorgt.
Die Leistungsobergrenze für Generatoren liegt hier bei 1000 MW, bei einer Generatorspannung von bis zu 27 kV und einer Drehzahl von 1500 min-1 oder 3000 min-1.
\({P_{mech}} = 2 \cdot \pi \cdot n \cdot M \approx {P_{el}} = m \cdot U \cdot I \cdot {g_1} \cdot \cos \left( \varphi \right)\)
\(\eta = \dfrac{{{P_2}}}{{{P_1}}}\)
- M mechanisches Drehmoment
- n Drehzahl der Welle
- m Strangzahl; m=1 Gleichstrommaschine
- g1 Grundschwingungsgehalt
- \(\varphi \) Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung
- \(\eta \) Wirkungsgrad
elektrisch auf mechanisch: Motorbetrieb
wenn Strom aus einem speisenden Netz durch eine Erregerwicklung fließt und sich der Rotor des Motors im Erregerfeld dreht. Der drehende Rotor kann dadurch mechanische Arbeit verrichten.
Gängige Leistungen für Asynchronmotoren gehen bis 1000 kW, die Leistungsobergrenze liegt bei 30 MW.
elektrisch auf elektrisch: Transformator
wenn eine Primär- auf eine Sekundärspannung gewandelt wird, wobei die Leistung auf beiden Seiten des Trafos – abgesehen von den unvermeidlichen, aber sehr niederen (1%) Trafoverlusten – gleich hoch ist.
Zwei Wicklungen, die denselben Eisenkern umfassen werden vom selben magnetischen Wechselfluss durchflossen.
- Dabei verhalten sich die beiden Klemmenspannungen auf der Primär- und auf der Sekundärseite proportional zu den jeweiligen Windungszahlen,
- während sich die Ströme indirekt proportional dazu verhalten. Durch den niedrigeren Strom (bei höherer Spannung) sinken die Leitungsverluste, das ist der entscheidende Vorteil von Drehstrom gegenüber von Gleichstrom!
\(\dfrac{{{N_P}}}{{{N_S}}} = \dfrac{{{u_P}}}{{{u_S}}} = \dfrac{{{i_S}}}{{{i_P}}}\)
Die Leistungsobergrenze liegt hier bei 1500 MW, deren Gewicht bei 450 t, jedoch noch ohne Ölfüllung.
Art von Strom und Spannung
- Gleichstrommaschine
- Einphasen- bzw. Wechselstrommaschine
- Mehrphasen- speziell (3-Phasen) Drehstrommaschinen
Lage der Erregerspule bei rotierenden Maschinen
- Innenpolmaschine: Die Spulen oder Permanentmagnete welche das Erregerfeld verursachen befinden sich am Läufer
- Synchronmaschine
- Außenpolmaschine: Die Spulen oder Permanentmagnete welche das Erregerfeld verursachen, befinden sich am Stator
- Gleichstrommaschine
- Asynchronmaschine
Art der Erregung
- Von Selbsterregung spricht man, wenn die Erregung und somit das Erreger- oder Hauptfeld durch einen Strom entsteht, den die Maschine selbst liefert.
- Von Eigenerregung spricht man, wenn die Antriebsleistung für den Generator und für die zu erregende Maschine, von der selben Turbine geliefert wird.
- Von Fremderregung spricht man, wenn die zu erregende Maschine, von einer von ihr unabhängigen Stromquelle gespeist wird.
Art des Erregerfeldes
Maschinen, deren Erregerfeld ein Gleichfeld ist. Dieses Wirkungsprinzip kommt für
- Gleichstrommaschinen
- Einphasen-Reihenschluss-Universalmotoren, können mit Gleich- aber auch mit Wechselstrom gespeist werden, da auf Grund der Serienschaltung, Anker und Erregerstrom gleichphasig sind.
zur Anwendung.
Maschinen, deren Erregerfeld ein Drehfeld ist. Dieses Wirkungsprinzip kommt für
- Bürstenlose Gleichstrommaschinen
- Synchronmaschinen
- Asynchronmaschinen
- Transformatoren
zur Anwendung.
Ursprung des Magnetfeldes
Magnetisch Felder besitzen im Unterschied zu elektrischen Feldern keine Quellen (Anfang einer Feldlinie) bzw. Senken (Ende einer Feldlinie), sondern sie sind Wirbelfelder. Dies beschreibt in der Elektrodynamik die 2. Maxwellgleichung, also das Gaußsche Gesetz für magnetische Felder, wie folgt mathematisch:
\(div\overrightarrow B = 0\)
Magnetische Feldlinien zeigen den Verlauf des Feldes, wobei magnetische Feldlinien immer geschlossen sind oder sie winden sich unendlich, ohne in sich zurückzulaufen, man spricht daher von einem sogenannten Wirbelfeld.
Ein Magnet hat zwei Pole, den Nordpol und den Südpol. Die magnetischen Feldlinien verlaufen außerhalb des Magneten vom Nordpol zum Südpol und schneiden einander nicht. Im Inneren eines Magneten verlaufen die Feldlinien dagegen von Südpol zum Nordpol. Die Polstärke \(\overrightarrow p \) gibt die Stärke und die Orientierung der beiden Pole eines Magneten an.
In elektrischen Maschinen haben Magnetfelder folgenden Ursprung
- Permanentmagnete: In Dauermagneten fließen diese das Magnetfeld verursachenden Ströme in Form von bewegten Elektronen auf atomarer Ebene.
- Stromfluss durch einen Leiter bzw. eine Wicklung: Die Spule kann auf einem mechanisch pilzförmig ausgeprägten Pol, bestehend aus Polkern und Polschuh sitzen oder als Wicklung eingebettet in Nuten vom Rotor oder Stator liegen. Die magnetische Durchflutung einer Spule ergibt sich aus Strom mal Windungszahl.
Die magnetische Durchflutung \(\Theta \) "Theta" dient zur Berechnung einer, durch einen elektrischen Strom erzeugten, magnetischen Feldstärke.
\(\Theta = \oint\limits_s H \,\,d\overrightarrow s = {U_m} = \sum\limits_k {{I_k}} = I \cdot n\)
In elektrischen Maschinen kommen Wicklungen zur Erzeugung eines Gleichfeldes oder Wicklungen zur Erzeugung eines Drehfeldes zur Anwendung.
Polpaarzahl
Leistungsstärkere Maschinen haben nicht nur 2 Hauptpole, sondern verteilt am Ankerumfang p Polpaare, wobei „p“ die Polpaarzahl ist. Ein Polpaar besteht aus einem Nord- und einem Südpol.
- Die Polpaarzahl beeinflusst die Drehzahl, das Drehmoment und die Höhe der induzierten Spannung.
Polteilung
Die Polteilung ist das Maß für den Abstand zwischen zwei Polen. Die Polteilung ergibt sich als Quotient aus Ankerumfang und Polpaarzahl.
Art der Wicklung
Anzahl der Windungen
- Stabwicklung
Eine Windung je Spule - Spulenwicklung
Mehrere Windungen je Spule. Jede Spulenseite hat so viele Drähte, wie die Spule Windungen hat.
Anzahl der untereinander liegenden Spulenseiten je Nut
- Einschichtwicklung
In der Nut wird nur eine Spulenseite platziert - Mehrschichtwicklung
In der Nut werden mehrere Spulenseiten untereinander platziert. Bei der häufig anzutreffenden Zweischichtwicklung spricht man von Oberschicht (zum Luftspalt hin) und Unterschicht (zum Nutgrund hin).
Serienschaltung abhängig von der Lage unter den Polen bei Gleichstrommaschinen
- Schleifenwicklung
Die unter einem Polpaar aufeinander folgenden Spulen werden zusammengeschaltet. Für mittlere bis große oder schnell laufende Maschinen. - Wellenwicklung
Die unter aufeinander folgenden Polpaaren aufeinander folgenden Spulen werden zusammengeschaltet. Für kleinere bis mittlere oder langsam laufende Maschinen.
Anzahl der Nuten je Pol und Strang (als Lochzahl bezeichnet) bei Drehstrommaschinen
- Ganzlochwicklung
Die Anzahl der Nuten (Q) ist ein ganzzahliges Vielfaches vom Produkt aus der Anzahl der Pole (2p) und der Anzahl der Phasen (m=3)
\(q = \dfrac{Q}{{2p \cdot m}}{\text{ mit q}} \in {\Bbb N}\) - Bruchlochwicklung
Die Anzahl der Nuten (Q) ist kein ein ganzzahliges Vielfaches vom Produkt aus der Anzahl der Pole (2p) und der Anzahl der Phasen (m=3).
\(q = \dfrac{Q}{{2p \cdot m}}{\text{ mit q}} \in \left( {{{\Bbb Q}^ + }\backslash {\Bbb N}} \right)\)
Art der Erzeugung des Drehfeldes
- Drehfeld wird durch Gleichströme erzeugt
- Drehfeld wird durch 3 um 120° phasenverschobene Wechselströme erzeugt
Art des Betriebspunkts
Leerlauf
Die Maschine läuft ohne Last, dh sie verrichtet keine mechanische Arbeit. Der Verbrauch der Maschine dient nur zur Deckung der Verluste
stationärer Betriebszustand
Drehzahl und Stromaufnahme sind konstant
Untererregung, bzw, induktives Verhalten, Polradspannung kleiner als Statorspannung
Die Erregung reicht nicht aus, damit die Maschine die volle Leistung bzw. das erforderliche Drehmoment erbringen kann; Instabiler Betriebszustand.
Übererregung, bzw. kapazitives Verhalten, Polradspannung überstiegt Statorspannung
Die Erregung ist zu hoch, die magnetischen Kreise gehen in Sättigung. Gefahr der Beschädigung.
Kurzschluss
Auf Grund der kurzgeschlossenen Klemmen fließt ein maximaler Strom der nur durch den Innenwiderstand der Maschine begrenzt ist, mit entsprechend hoher Leistungsaufnahme. Die Gefahr der Überhitzung macht eine Notabschaltung erforderlich.
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